Sensores biodegradables acoplables a plantas para detección rápida de pesticidas

Unos científicos han creado sensores biodegradables “vestibles” destinados a vegetales, para vigilar su salud. Algunas de las cosas detectables son pesticidas y enfermedades. Los sensores también monitorizan biomarcadores importantes y niveles de nutrientes.

Los sensores están fabricados con material atóxico de origen vegetal, incluyendo una tinta especial de carbono. Son impresos mediante serigrafía sobre bioplásticos transparentes de acetato de celulosa.

La innovación es obra de un equipo integrado, entre otros, por Nathália Oeazu Gomes, Paulo Augusto Raymundo-Pereira y Sergio Antonio Espínola Machado, del Instituto de Física de Sao Carlos en la Universidad de Sao Paulo (IFSC-USP), y ha contado con el respaldo de la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de Sao Paulo (FAPESP), en Brasil todas estas instituciones.

La ingeniería de sensores vestibles fue elegida por el Foro Económico Mundial entre las diez principales tecnologías emergentes de 2023 debido a su potencial para mejorar la salud de las plantas y aumentar la productividad agrícola. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos vestibles actuales se fabrica con polímeros plásticos de origen no renovable (derivados del petróleo) y presenta baja adherencia en superficies irregulares, onduladas y curvas.

“En cambio, nuestro sensor está hecho de acetato de celulosa, un material flexible de origen vegetal que puede producirse a partir de diversos residuos agrícolas. La celulosa es el polisacárido natural más abundante en la Tierra. Presenta una biocompatibilidad excepcional, alta estabilidad térmica y flexibilidad. Es atóxico, económico, accesible, biodegradable, liviano y fácil de manipular”, resume Raymundo-Pereira.

Los nuevos dispositivos miniaturizados pueden fijarse directamente en diversos órganos vegetales, incluidos tallos, corteza y hojas, para monitorear temperatura, humedad, deshidratación, biomarcadores, enfermedades, niveles de nutrientes y también presencia de pesticidas. “Permiten una detección no destructiva, rápida, in situ y descentralizada, proporcionando bioinformación en tiempo real sobre el estado de salud de la planta y factores ambientales.”

Cada plataforma de acetato de celulosa posee dos unidades sensoriales que emplean diferentes técnicas de análisis para detectar en un mismo análisis tres clases de pesticidas (diquat, carbendazim y difenilamina). Una unidad sensorial se emplea para mediciones de voltametría de onda cuadrada (SWV), que detecta diquat, mientras que el análisis de carbendazim y difenilamina se realiza en el segundo sensor a través de mediciones de voltametría de pulso diferencial (DPV).

El sensor vestible tiene la ventaja de ser aplicable directamente sobre la muestra, pues el acetato logra adquirir la forma de la superficie donde es posicionado. (Foto: Paulo Augusto Raymundo-Pereira)

Según Raymundo-Pereira, cada sensor cuesta 0,077 centavos de dólar. “Los sensores son de un solo uso. Por eso, deben ser baratos y biodegradables. Considerando el funcionamiento de los dos sensores en secuencia, en la misma muestra, el dispositivo tarda tres minutos y veintiocho segundos en realizar todas las mediciones.”

La identificación se realiza en la superficie de la planta, pero en medio acuoso (una gota de agua), pues las mediciones se llevan a cabo en la interfaz del electrodo con ese medio. “Necesitamos esta solución acuosa para que haya conductividad. En el caso de los sensores vestibles, la gotita de agua se coloca en los lugares más fáciles para realizar la medición. En el medio de las hojas, en la cavidad que se forma en el pedúnculo del tomate o de la manzana, en los surcos laterales del pimentón, donde también se logra acumular agua. Después, solo hay que colocar los sensores, posicionarlos sobre la gota y medir.”

La plataforma que contiene el sensor doble vestible está integrada a un potenciostato portátil inalámbrico (comercial), lo que posibilita una evaluación rápida de los pesticidas y muestra el análisis en tiempo real en un teléfono celular mediante comunicación inalámbrica (bluetooth). El equipo ya había creado, en 2022, un guante con sensores en las puntas de los dedos, para los mismos fines (lea más en: agencia.fapesp.br/37901).

“El sensor vestible tiene la ventaja de ser aplicado directamente sobre la muestra, pues el acetato logra adquirir la forma de la superficie donde es posicionado, mientras que el guante necesita ser manipulado. Además, el guante está hecho de un material que no es biodegradable, mientras que el sensor vestible es totalmente biodegradable y reutilizable para la confección de nuevos sensores”, compara el científico. Según él, es posible quemar en condiciones específicas los sensores ya utilizados y, de esta forma, obtener la tinta de carbono para producir nuevos dispositivos.

La eficiencia de los sensores vestibles se puso a prueba en vegetales después de pulverizar una solución de agroquímicos a 1000 μM sobre la cáscara de manzanas y pimentones, dejados secar durante 5 horas. Este procedimiento posibilitó la simulación de uso en aplicaciones reales. Los análisis in situ del pesticida se realizaron en la superficie del producto agrícola, fijando el sensor directamente sobre la cáscara de la manzana y la del pimentón, con la adición de 500 μL de solución tampón fosfato.

La tecnología de los sensores vestibles se presta a una infinidad de aplicaciones, tal como destaca Raymundo-Pereira. “Es posible detectar la presencia de pesticidas en la saliva de las personas, o incluso en el agua del grifo. Hicimos las pruebas. Muestras de saliva humana y agua del grifo fueron enriquecidas con pesticidas y analizadas con el sensor para prever los niveles de residuos. La tecnología tiene mucha utilidad en el área de la salud y sirve, por ejemplo, para analizar componentes presentes también en la orina y el sudor”, revela el investigador.

La adaptación de la tecnología para uso agrícola fue una idea de Raymundo-Pereira después de una pasantía en el Centro de Sensores Vestibles de la Universidad de California, en San Diego (Estados Unidos), con el profesor Joseph Wang. “Ya que buena parte del PIB brasileño se concentra en el sector agrícola, pensé: ¿por qué no adaptar la tecnología? En el exterior, el uso está orientado a humanos. Se aplica sobre la piel para saber, por ejemplo, qué hay en el sudor de las personas. Es posible detectar ácido láctico, ácido úrico, glucosa, cortisol, iones de sodio, iones de potasio, iones de cloruro, hormonas y medicamentos. Pero esos sensores usados en humanos están hechos de plástico de origen petroquímico. Los primeros biodegradables, de origen natural, son los nuestros, que también pueden adaptarse para su uso en humanos.”

Las solicitudes de patente, tanto del guante como del sensor vestible, ya están en el Instituto Nacional de Propiedad Intelectual (INPI).

El equipo multidisciplinario que desarrolló el dispositivo también está compuesto por las investigadoras Samiris Teixeira, Nilda de F.F. Soares y Taíla de Oliveira, de la Universidad Federal de Viçosa.

Nathália Oeazu Gomes y sus colegas exponen los detalles técnicos de su nueva clase de sensores en la revista académica Biosensors and Bioelectronics X, bajo el título “Biodegradable wearable sensors for rapid non-destructive analysis of pesticides on plants and foods”. (Fuente: FAPESP)